Atom Nedir

Atom Nedir

Yemek tuzu su içinde eritilince görünmez olur, oysa tuz, yine de suyun içinde durmaktadır. O halde tuzun gözden kaybolması nasıl açıklanabilir? Tuzun kaybolmasının nedeni, onu oluşturan taneciklerin su tanecikleri içinde dağılmasıdır: Tanecikler gözle görülemeyecek kadar küçüktür, hatta mikroskopla bile görülmezler.

Atom Nedir

Kimyasal maddelerin en küçük, taneciklerine atom adı verilir. Bir maddenin, örneğin demirin içindeki atomların hepsi birbirine benzer. Demirin atomları, yine birbirine benzeyen örneğin alüminyum atomlarından farklıdır. Küçük bir demir parçasının içinde milyonlarca atom bulunur. Görünmeyen güneş ve gezegenler: Atomların yapısı, ortasında bir güneş ve onun çevresinde dönen gezegenlerin yer aldığı küçük bir güneş sistemini andırır. Atomların büyüklüğü konusunda bir bilgi vermek için, 75 milyon hidrojen atomunun uç uca gelince ancak bir santimetre uzunluğunda olacağını söylemek yeterli olacaktır. Atomun ortasında artı elektrikle yüklü bir çekirdek vardır. Çekirdeğin çevresindeki yörüngelerde de eksi elektrikle yüklü elektronlar bulunur. Eksi değerdeki elektrik yükü ile artı değerdeki elektrik yükü birbirine eşittir. Çekirdek ve elektronlardaki elektrik yükü birbirini dengeler ve atom yansız (nötür) olur.

Tek tip atomdan oluşan maddelere element adı verilir. Farklı atomların bir araya gelmesiyle elementlerden başka maddeler oluşur, iki veya daha fazla atomun bir araya gelmesiyle molekül adını verdiğimiz maddeler oluşur, örneğin bir su molekülünde iki hidrojen atomu ile bir oksijen atomu vardır. Bu atomların ayrıştırılarak yeniden hidrojen veya oksijen biçimine dönüştürülmesi olanaklıdır. Ancak su molekülünde atomlar arasındaki bağ çök sağlamdır. Suyun kaynatılması durumunda bile moleküller atomlarına ayrışmaz. Bu durumda su, bir gaz olan su buharına dönüşür. Ancak su buharında da moleküller kopmamış durumda kalır.

İçinde birden fazla değişik atom türünün bulunduğu su gibi maddelere kimyasal bileşikler adı verilir. Bu maddeler, içinde yalnız bir atom türü bulunan elementlerden farklıdırlar.

Bölünmeyen parçalar: Atom fikri ilk olarak eski Yunanlılar tarafından öne sürülmüştü. M.ö. 400 yıllarında filozof Demokritus, bu taneciklere atom adını vermeyi kararlaştırdı. Bu sözcük, Yunancada bölünemez anlamına gelen “atomos” sözcüğünden gelir. Demokritus’un bu adlandırmayı yapmasının nedeni, belirli bir cisim ikiye, dörde, sekize ve daha da küçük parçalara bölündüğünde, son olarak bölünemiyecek bir parçaya gelineceğini düşünmesiydi. Demokritus, bütün cisimlerin bu tür bölünemiyen taneciklerden oluştuğunu ileri sürmüştü. Daha da ileri giderek, cisimlerin birbirinden farklı olmalarının nedenini, her birinin içinde bu tür atomlardan farklı biçim ve karışımda olmalarında görmüştü. Ancak çağdaşları Demokritus’un görüşlerini kabul etmediler. Bugün ise Demokritus’un 2000 yıl önce, gerçeğe çok yaklaşmış olduğu ortadadır. Cisimlerin atomlardan oluştuğunu kanıtlayan ilk insan XIX. yüzyılın başlarında yaşayan İngiliz kimyacısı John Dalton oldu. Dalton, aynı zamanda farklı elementlerde bulunan atomların ağırlıklarının da farklı olduğunu gösterdi, örneğin, demir atomu hidrojen atomundan daha ağırdı; bunun gibi aksijen atomu, hidrojen atomundan ağır fakat demir atomundan daha hafifti. Dalton’un çalışmaları başka kimyacılar için de bir yol oldu. Bunlar, atomların birbirleri ile karşılaştırılması ve bu şekilde belli bir sıraya konulmaları amacıyla ağırlıklarının ölçülmesi için çalışmalar yaptılar. Bu biçimde elementleri belli gruplar altında toplamak kolaylaşacaktı. Bu sınıflamayı ilk olarak Rus bilgini Mendelyev yaptı.

Bu bilgin, bilinen bütün elementlerin, ağırlıklarına göre sıralanabileceğim gösterdi. Bu çalışmalar peryodik tablonun hazırlanmasına başlangıç oldu.

1890 yılına kadar atomların halâ bölünemeyen tanecikler olduğu kabul ediliyordu, işte tam bu sırada elektron bulundu. Elektrik üzerindeki çalışmaların tarihi oldukça eskiydi. Bilim adamları, elektrik akımının varlığını biliyorlar, ancak bu akımın nasıl olduğunu açıklıyamıyorlardı. Gerçekte ise elektrik akımı, bir elektron akımından başka bir şey değildi. Bir elektrik akımında elektronlar, atomlarını terkedip harekete geçiyorlardı. İlginç bir parıltı: Elektronlar, havası alınmış bir tüpten elektrik akımı geçirilerek bulundu. Elektronlar, katot adı verilen metal kutuptan, anot adı verilen öbür kutba akmıştı. Metal anodun bir an için uzaklaştırılmasıyla, elektronlar tüpün camdan duvarına vurmuştu. Elektronların çarptığı bu noktada ise cam üzerinde parlak bir ışık görünmüştü.

Bilim adamları, parlaklığın katottan yayılan ışınlar nedeniyle ortaya çıkmış olabileceğini düşündüler ve bu ışınları katot ışınları olarak adlandırdılar. Ancak bu ışınların ışık gibi dalga biçiminde mi, yoksa tanecikler biçiminde mi olduklarını bilmiyorlardı.

Sir William Crookes, katot ışınlarının tanecikler biçiminde olduğunu gösterdi. Bunu da ışınların yanına yaklaştırılan mıknatısın katot ışınlarını saptırmasıyla kanıtladı. Dalga biçimindeki ışınlar bu özelliği göstermezlerdi.

Crookes, katot ışınlarının önüne konan hafif bir metal fırıldağın döndüğünü de gösterdi. Bu da ışınların taneciklerden oluştuğunu kanıtlayan bir başka kanıttı.

J.J. Thomson adlı bilgin bu sorunu 1897 yılında kesin olarak çözdü. Thomson, ışınların yanma yaklaştırılan elektrik yükünün, ışınları oldukça büyük bir derecede saptırdığını gösterdi. Bu ise, ışınların çok küçük eksi elektrik ile yüklü tanecikler olduğunu kanıtlamaktaydı. Yapılan deneyler, bu taneciklerin bilinen en hafif atom olan hidrojen atomundan bin kat daha hafif olduğunu ortaya koymaktaydı.

Bütün bu gelişmeler, atomların cisimlerin yapısındaki en küçük tanecikler olduğu görüşünü çürütüyordu. Yeni bulunmuş olan elektron, bilimde bir devrim yaratmıştı. Bundan önceki atom kuramlarının bütünüyle yanlış olduğu ortaya çıkıyordu.
Atomun yapısı
Üzümlü kek: Bu gelişmelerden sonra bilim adamları, atomları katı ve yuvarlak bir top yerine, üzümlü keke benzeyen bir biçimde tasarlamaya başladılar. “Kek”, artı elektrik ile yüklüydü, “üzümler” ise eksi elektrik yüklü elektronları gösteriyordu. Karşıt kutuplu yükler birbirini götürdüğünden atomlar yüksüz oluyorlardı.

Artı ve eksi kutuplar birbirini çeker. Bu çekim gücü, atomların parçalarını birbirine bağlıyordu. Ancak bazı koşullar altında “üzümler” “kek” içinden fırlayabiliyordu. Bir başka deyişle, elektronlar atomdan fırlayabilirlerdi; katot ışınları tüpünde gerçekleşen olay da buydu. Bunun sonucunda atomlardaki artı yük, eksi yükten daha fazla oluyordu. Bu biçimde atom artı yüklü duruma geliyordu. Elektronlarından biri eksik olan ya da fazla bir elektronu olan atomlara iyon adı verildi.
Bundan sonra radyoaktif elementler bulundu. Bu elementler üç türlü ışınım yaymaktaydılar. Bu ışınım türleri, Yunan alfabesinin ilk harfleriyle yani alfa, beta ve gama ışınları olarak adlandırıldı. Beta ışınları, ince metal levhalardan rahatlıkla geçebiliyordu. ilk önceleri bunların elektron olduğu sanıldı. Gama ışınlarının, daha da önce bulunmuş olan X- ışınları gibi cisimleri delip geçici özellikte olduğu görüldü. Alfa ışınları ise oldukça farklı nitelikteydi.

Elektronsuz atomlar: Alfa ışınlarının elektronlardan daha büyük taneciklerden oluştuğu ortaya çıkarıldı. İngiltere’de Ernst Rutherford, alfa ışınlarının da elektronlar gibi manyetik alan tarafından saptırıldığını gösterdi. Ancak bu sapma, elektronların sapma yönünün karşıt yönündeydi ve sapma derecesi daha azdı.

 

Rutherford, böyle bir taneciğin artı yüklü olabileceğini düşündü. Bugün ise alfa ışınlarının elektronlarını kaybetmiş helyum atomları olduğu bilinmektedir. Bu atomlar, hidrojen atomlarından dört kat daha ağırdır.

Rutherford, alfa taneciklerini inceleyerek atomun yapısını ortaya çıkarmayı başardı. Radyoaktif cisimlerden yayılan alfa atomlarını ince bir metal levha üzerine yöneltti. Taneciklerin çoğu metal levhayı delip geçti. Ancak bazıları öteye beriye dağıldı, hatta bunlardan bir kısmı da geriye döndü.

Rutherford, ince levhayı geçemeyen taneciklerin çok daha katı bir hedefe, atom içindeki bir çekirdeğe çarparak geri yansıdığını düşündü. Taneciklerden çok azının geri yansıması nedeniyle bu çekirdeğin çok küçük olması gerekiyordu. Rutherford, yapmış olduğu çalışmalara dayanarak, atomun yapısı konusundaki varsayımların gerçeği yansıtmadığına karar verdi. Bir kere atom, katı bir kürecik biçiminde değildi. Ayrıca içinde elektronların dağılmış olduğu üzümlü kek biçiminde bir yapıda da olamazdı. Gerçekte atomların içinde büyük boşlukların olması gerekiyordu.

Rutherford, atomların yapısının proton adı verilen artı yûfclü taneciklerin bulunduğu bir çekirdekten oluştuğu görüşünü ileri sürdü. Çekirdeğin çevresinde ise elektronlar dönmekteydi. Eski ve artı yükler birbirine eşitti ve bu nedenle atomlar yansızdı (nötürdü).
Bütün bu bilgilerden sonra, çeşitli elementlerin atomları arasındaki farkları açıklamak kolaylaştı. En hafif element olan hidrojen atomunda sadece bir protondan oluşan bir çekirdek vardır. Helyum atomunda, çevresinde iki elektronun döndüğü çekirdekle iki proton vardır. Lityum atomunda ise, üç proton ve üç elektron vardır. Görüldüğü gibi bir elementi belirleyen, çekirdekteki proton sayısıdır.

Bununla birlikte açıklanamayan bir nokta daha vardı. Hidrojen atomu dışında kalan atomların ağırlıkları, olması gereken ağırlıkta değildi. Daha evvel de belirtildiği gibi, helyumun çekirdeğinde iki proton vardı. Oysa helyum atomu sanki çekirdeğinde iki yerine dört proton varmış gibi iki kat ağır geliyordu. Bunun gibi, oksijen çekirdeği de sekiz proton içerdiği halde, oksijen atomu on altı protonu varmış gibi iki kat ağır geliyordu.

Bu durum ancak 1932 yılında çözüldü. Atomların içinde yeni bir taneciğin olduğu ortaya çıkarıldı. Bu tanecikler proton kadar ağırdı, ancak elektrik yükleri yoktu. Bunlara nötron adı verildi.

Yüksüz taneciklerin varlığının ortaya konuşu, birçok açıklanamayan sorunun çözümüne olanak tanıdı. Atomların aşırı ağırlıklarının nedeni hemen açıklandı. Çekirdeğinde bir proton olan hidrojen atomu dışında bütün atomların çekirdeğinde protonlar ve nötronlar vardı. Böylece helyum atomunda iki proton ve iki nötron vardı; hidrojen atomundan iki kat değil, dört kat daha ağırdı. Oksijen atomunun çekirdeğinde ise sekiz proton ve sekiz nötron vardı ve bu nedenle hidrojen atomundan sekiz kat değil, on altı kat ağırdı. Nötronlar, çekirdeğin elektrik yükünü değiştirmezler. Bunlar, çekirdeğin daha sıkı bir biçimde bağlanmasını ve daha ağır olmasını sağlarlar. Çekirdeğin çevresindeki yörüngelerde dönmekte olan elektronlar ise, atomun ağırlığına çok az etkide bulunurlar. Her birinin elektrik yükünün protonların elektrik yükü gücünde olmasına karşılık, protonlardan 1800 kat daha hafiftirler.Elektron ve nötronların elektrik yükü taşımadıklarının ortaya konuşu son derece yararlı oldu.

Bu gelişmelerin ardından bir başka sorunun nedeni de açıklandı. Aynı elementin farklı örneklerinin atom ağırlıkları bazı durumlarda birbirinden farklı geliyordu. Bunun açıklanması artık kolaylaşmıştı. Atomun çekirdeğinde bazı durumlarda fazla nötron olabilirdi. Bu durum elementin özelliğini değiştirmiyordu, çünkü elementler protonlarının sayıları ile belirleniyordu.

Bir atomun çekirdeğindeki protonların sayısına, o elementin atom sayısı adı verilir. Bir elementin atomlarının hepsi aynı atom sayısına sahiptir. Atom sayıları aynı olan, ancak çekirdeğinde birbirinden farklı sayıda nötron bulunan atomların ağırlıkları birbirinden farklı olur. Bir elementin, kendisinden bu biçimde farklı olan türlerine o elementin izotopları adı verilir.

Ağır su

Hemen hemen bütün elementlerin izotopları vardır ve bunların bazıları radyoaktiftir. Hidrojenin üç izotopu vardır. İlk olarak çekirdeğinde bir proton bulunan ve H1 biçiminde gösterilen hidrojen vardır. Çekirdeğinde fazladan bir nötron bulunan ve H2 biçiminde gösterilen hidrojen izotopuna deteryum adı verilir. Çekirdeğinde üç nötron bulunan ve H3 biçiminde gösterilen hidrojen izotopuna ise trityum denir. Ağır su da hidrojen ve oksijenden oluşur. Ancak moleküllerinde bulunan hidrojenlerin her biri, hidrojenin H2 izotopudur.

Atomun içerdiği elektronlar, iç içe yörüngelerde bulunurlar. En içteki yörüngede en fazla iki elektron bulunabilir. Bir sonraki yörüngede ise sekize kadar elektron olabilir. Atomlardaki elektron sayısı arttıkça bunların yörüngelerde dizilişi çok daha karmaşık bir durum almaktadır.

En dış yörüngesi dolu atomlar dengeli bir yapıdadırlar. Bir başka deyişle bu durumda kalma eğilimindedirler, yani ne elektron almak isterler, ne de elektron verirler. Sürekli olarak bu biçimde dengede kalmaya çalışırlar. Gerektiğinde en dış yörüngede bulunan elektronları başka atomlarla paylaşırlar. Bu şekilde elektron değiş tokuşu yapan atomlar, sıkı bir biçimde birbirlerine bağlanarak yeni bir kimyasal bileşik oluştururlar. Bu aynı zamanda onların dengede olmalarını da sağlar.
Moleküllerin oluşması: Atomların kimyasal tepkimelere girme özellikleri, en dış yörüngede bulunan elektronlara bağlıdır. Bunlara değerlik elektronları adı verilir, örneğin hidrojen atomunun bir elektronu vardır. Bu hidrojen atomu bir başka hidrojen atomu ile birleşir ve iki hidrojen atomu, iki elektronu paylaşmış olur. Bu şekilde dış yörüngedeki elektron sayısı ikiye çıkmış olur. Hemen hemen bütün hidrojen gazı, aralarında bağlı iki hidrojen atomundan oluşan moleküller halindedir.

Helyum atomunun iki elektronu vardır. Bu atomun dış yörüngesi doludur; bu nedenle çok dengeli bir yapıdadır. Başka atomlarla kolay kolay birleşmez. Lityum atomunda üç elektron vardır. Bunlardan ikisi ilk yörüngededir; sekize kadar elektronun bulunabileceği ikinci yörüngede ise yalnız bir elektron vardır. Bu nedenle lityum atomu, ikinci yörüngedeki bu yalnız atomu bir başka atoma verir. Bunun sonunda üzerinde iki elektron bulunan tek yörünge ile kalır ve bu biçimde dengeli bir yapıya kavuşur.

Yemek tuzu, sodyum ve klor atomlarından oluşmuştur. Sodyum atomunda ilk ikisi dolu, en dıştaki ise bir elektron içeren üç yörünge vardır. Klor atomunun dış yörüngesinde ise bir elektron eksiktir. Sodyum ile klor atomu birleşince sodyum atomunun dış yörüngesindeki elektronlar, klor atomuna geçer. Böylece sodyum atomunda her ikisi de tamamlanmış iki yörünge, klor atomunda ise yine tamamlanmış üç yörünge oluşur.

Sodyum atomu bir elektron kaybettiği için artı elektrik ile yüklenmiş olur. Klor atomu ise bir elektron aldığı için eksi yüklü durumdadır. Böylelikle bu atomlar iyon biçimine dönüşürler ve iyonların birbirine karşıt olan yükleri bunların sağlam bir kimyasal bileşik oluşturmalarına olanak tanır.

Dış yörüngelerinde aynı sayıda elektron bulunan atomların ortak kimyasal özellikleri vardır. Dış yörüngeleri tamamlanmış olan helyum, neon ve argon gibi elementler tepkimeye girmezler. Bu gazlar genellikle hareketsiz veya etkin olmayan gazlar olarak tanımlanırlar; bir zamanlar da asal gazlar olarak bilinirlerdi.

Elektronların bu tür dizilişleri, örneğin metal gibi elementlerin iyi elektrik ilettiği halde, başka elementlerin iyi iletken olmayışını da açıklar. Metallerin genel olarak dış yörüngelerinde bir ya da birden fazla elektron bulunur. Bu elektronlar çekirdeğe sıkı bir biçimde bağlanmadıklarından rahatlıkla bir başka atoma geçebilirler. Bu elektronlar serbest elektronlar sayılır. Bu elektronların bir atomdan diğerine hareketi sırasında, elektrik akımı iletilmiş olur. Lastik veya ağaç gibi maddelerde elektriği kolaylıkla geçirmeye yarayan bu tür serbest elektronlar yoktur.

Elektronların doğrudan doğruya atomlardan kopması da olanaklıdır. Elektronların eksi yüklü olmaları nedeniyle bunların atomlardan kopup gitmeleri, atomların artı yüklü olmasına yol açar. Bazı maddelerin yüzeyinin ovulması ile elektronlar atomlarından kopartılabilir. Kehribarın ipek veya yün ile ovulması durumunda elektronlar kehribardan koparlar ve kehribar elektrik ile yüklenir. Bu tür elektriğe statik elektrik adı verilir. Statik elektrikle yüklü cisimler, karşıt elektrik ile yüklü cisimleri kendilerine çekerler.

Eski Yunanlılar, hızlı bir biçimde ovulan kehribarın küçük tüy parçalarını kendisine çektiğini görmüşler, ancak bunun nedenini çözememişlerdi. Elektrik ve bundan türetilen sözcükler, eski Yunancada kehribar anlamına gelen elektron sözcüğünden gelir.

Elektronların çok önemli bir başka özelliği daha vardır. Elektronlar bir yörüngeden diğerine geçi-bilir ya da atlayabilirler. Dış yörüngeye geçmek için dışarıdan enerji alınması gerekir. İç yörüngeye atlayan elektron ise enerji salar. Bu enerji, gözle görülebilir bir biçimde, ışınım olarak ortaya çıkar.

Çok küçük taneciklerin mermi olarak kullanılmasıyla yapılan deneyler sonunda, atomların yapısı için ileri sürülen proton – nötron görüşünün artık yeterli olmadığı ortaya çıkmıştır. Kozmik ışınlar ve bunların etkilerinin incelenmesi, atomların yapısının çok daha karmaşık olduğunu göstermiştir. Kozmik ışınlar uzaydan gelerek yeryüzü atmosferine giren taneciklerdir. Bu ışınlar, atmosfer içindeki atom ve moleküllere çarparak ikincil tanecikler sağnağına yol açarlar. Bu taneciklerden ilk bulunana pozitron adı verilmiştir. Pozit-ron, artı yüklüdür ve protondan çok daha küçüktür. Gerçekte pozitronlar, artı yüklü elektronlardır. Pozitronun bulunmasından sonra, akseleratör adı verilen aygıtlar geliştirilmiş ve bu aygıtlar aracılığı ile atomlar, çok hızlandırılmış elektron ve protonlarla deneysel olarak bombardıman edilmiştir.
Bu deneyler sonunda birçok yeni tanecikler ortaya çıkarılmıştır. Bunların bazıları, saniyenin çok küçük parçaları süresince var olurlar. Daha sonra bölünerek başka tanecikler oluştururlar. Bu bölünme, dengeli bir yapıda elektron ve protonlar ortaya çıkarıncaya kadar sürer. Kısa ömürlü tanecikler çözülmemiş bir sorun olarak kalmıştır. Radyoaktif atomların dengeli olmayan çekirdekleri vardır. Bunlar kendini yeni bir denge içine sokmaya çalışan atomlar olarak düşünülebilir. Bu atomlar, alfa, beta ve gama ışınları yayarak enerji verirler, Radyoaktif maddeler, sürekli bir biçimde ışınım yayarlar. Işınım radyoaktif bir maddenin enerji vererek daha dengeli bir yapıda bir atoma dönüşmesi için geçen sürenin yarısı ile ölçülür. Bu süre saniyenin milyonda biri ile milyonlarca yıl arasında değişir.

Karşıt atomlar

Atomların proton, nötron ve elektronlardan oluştuğu bilinmektedir. Bunun yanında pozitronların varlığı da bilinmektedir. Pozitronlar, karşıt değerde elektrik yüklü olmaları dışında elektronlara benzerler ve bu nedenle anti-elektron olarak adlandırılabilirler. Pozitronların elektronların karşıtı olan başka özellikleri de vardır. Anti-proton ve anti-nötronların da var olması halinde, atomların tam karşıtı özellikleri olan atomlar da oluşabilecektir.

Bu kuramsal atomlara maddenin karşıtı anlamına “anti-madde” adı verilmiştir. Anti-madde yüryüzünde yoktur. Eğer var olsaydı, maddelerle hemen tepkimeye geçerek yok olurdu. Anti-madde, ancak atom deneyleri sırasında çok kısa süreli olarak ortaya çıkmaktadır. Ancak, evrende bütünüyle anti-maddelerden oluşan başka galaksilerin varlığı söz konusu olabilir.

Etiketler:

Yorum yazın